（物理电子学专业论文）全光纤分布式振动传感技术研究.pdf

摘要 分布式光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代末伴随着光纤传感技术和光纤通信技 术的发展而迅速发展起来的。分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理场沿空 间和时间上的连续分布信息，因而非常适合用于长距离干线的监测。目前，这项 技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。 本文提出的全光纤分布式振动传感系统是一种新型的分布式光纤传感系统， 可实现对施加于传感光纤上的任意振动信号的实时提取，并能准确确定该振动信 号在传感光纤上的位置，可用于长距离通信干线的监测。 本文在介绍光纤传感技术发展变化的基础上，对全光纤分布式振动传感系统 的结构、工作原理、后端信号处理技术和相关实验等方面做了大量的工作，对全 光纤分布式振动传感系统的实际应用也做了有益的尝试。特别是将系统应用于实 际通信光缆上进行现场实验，所得的实验结果证明了系统的实用性。 本文的具体工作包括以下几个方面： 在第一章的绪论中对分布式光纤传感技术做了概述，介绍了目前常用的几种 分布式传感技术，阐明各种传感技术存在的优缺点，从而引出本文要介绍的全光 纤分布式振动传感系统，指出该系统可以对作用于传感光纤上任意大小的振动信 号进行定位，这是以往的系统所不能达到的。 在第二章中对全光纤分布式振动传感系统的工作原理作了具体分析，包括调 制原理、解调原理及定位原理三个方面。此系统以末端镀以反射膜的单芯光纤作 为传感光纤，通过构造光纤干涉系统，可实现对同一振动信号两次不同时刻的提 取。干涉信号相位差的变化即反映了外界振动信号的变化，利用软件技术对相位 差进行还原后，可以提取出振动信号的频谱特性，利用频域上叠加的振动谱呈现 出的一系列周期性的极值点，可以对振动信号进行定位，拓宽了传统振动测量传 感器的应用范围。本文从振动频谱叠加的角度讨论系统的定位原理，这种分析方 法未见有文献报导过。 第三章着重阐述基于全光纤分布式振动传感系统的信号处理技术。系统的信 号处理过程分为两个方面：相位解调算法和定位算法。通过对相位解调算法的研 究，用以解决系统对任意大小振动信号的还原问题，并用软件实现了信号的解调。 解调的结果如实地反映了原始振动信号，解决了以前研究方法普遍存在的测试振 动幅度有限、只能适用于宽振动谱的缺点，大大提高了系统的应用范围，保证了 定位的精确性。通过对定位算法的研究，用以确定任意振动信号在传感光纤上的 位置，定位的算法涉及频谱分析及小波变换等现代信号处理手段。这些算法都是 依据系统所输出的两路信号的特征提出的，因而具有创新性。以图形化编程语言 l a b v i e w 作为软件开发平台，大大缩短了硬件测试、程序调试的周期。 第四章是实验研究与结果讨论。通过对系统用于总长约2 8 k i n 的野外实地铺 设的通信光缆现场实验所采集的实际信号进行处理，验证了相位解调算法及定位 算法的有效性及普适性，从而证明了该系统的实际应用价值。 最后第五章全文总结，回顾作者所做的工作并进行展望。 关键词：光纤，分布式，传感，振动，相位解调，定位 中图分类号tt p 2 1 2 ：t h 7 4 4 3 tt n 9 1 1 7 4 a b s tr a c t d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n i q u ed e v e l o p e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to f o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n i q u ea n do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei nt h ee n d o ft h es e v e n t i e so ft w e n t yc e n t u r y d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n i q u ec a n a c q u i r et h ei n f o r m a t i o no fp h y s i c a lf i e l da l o n gt i m ea n ds p a t i a lc o n t i n u o u s d i s t r i b u t i o n ，t h e r e f o r ei ta d a p t st od e t e c td i s t u r b a n c e si nc o m m u n i c a t i o nc a b l eo fl o n g d i s t a n c e s n o wt h et e c h n i q u eb e c o m e st h em o s tp o t e n t i a lt e c h n i q u ei nt h et e c h n i q u e s o fo p t i c a lf i b e rs e n s i n g a l l - f i b e rd i s t r i b u t e dv i b r a t i o ns e n s i n gs y s t e mp r o p o s e di nt h ep a p e ri san o v e l d i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gs y s t e mw h i c hc a nd e t e c tv i b r a t i o ns i g n a l so fa n ys i z e i m p o s i n go nt h es e n s i n gf i b e ri nr e a lt i m ea n dd e t e r m i n et h ep o s i t i o n so ft h es i g n a l s o nt h e s e n s i n gf i b e rp r e c i s e l y s oa st ob eu s e da sam o n i t o r i n gs y s t e mi n c o m m u n i c a t i o nc a b l eo f l o n gd i s t a n c e s o nt h eb a s i so fi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rs e n s i n g t e c h n i q u e ，al o to fw o r kh a sb e e nd o n ea b o u tt h es y s t e m ss t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，s i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dr e l a t i v ee x p e r i m e n t s t h ea l l - f i b e rd i s t r i b u t e dv i b r a t i o n s e n s i n gs y s t e mi st r i e dt op u ti n t op r a c t i c e ，a n di ti se s p e c i a l l yu s e dp r a c t i c a l l yo nt h e c o m m u n i c a t i o nc a b l ei n t h ef i e l d n l er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t sp r o v et h e p r a c t i c a b i l i t yo ft h es y s t e m i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n i q u ei se x p l a i n e d s o m ec o m m o nd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e da n dt h e s t r e n g t h sa n dd e f e c t so ft h e s et e c h n i q u e sa r ei n d i c a t e d ，w h i c hi n t r o d u c e sa l l - f i b e r d i s t r i b u t e dv i b r a t i o ns e n s i n gs y s t e m t h es y s t e mc a l ld e t e r m i n et h ep o s i t i o n so f v i b r a t i o ns i g n a l so fa n ys i z ei m p o s i n go nt h es e n s i n gf i b e r , w h i c hc a n tb ea c h i e v e d b yt h ep r e v i o u ss y s t e m i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h e p r i n c i p l eo fa l l f i b e rd i s t r i b u t e dv i b r a t i o ns e n s i n g s y s t e mi sa n a l y z e di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h em o d u l a t i o np r i n c i p l e ，t h e d e m o d u l a t i o np r i n c i p l ea n dt h el o c a t i o np r i n c i p l e s i n g l ef i b e rw h i c hh a sar e f l e c t o ri n t h et e r m i n a li se m p l o y e da st h es e n s o ri nt h es y s t e mt op i c ku pt h ed i s t u r b a n c e si nt h e e n v i r o n m e n t b yc o n s t r u c t i n gf i b e ro p t i ci n t e r f e r o m e t r i cs y s t e m ，t h es a m ev i b r a t i o n s i g n a lc a l lb em o d u l a t e dt w i c ea tt h ed i f f e r e n tt i m e t h ep h a s es h i f to fi n t e r f e r o m e t r i c s i g n a l sr e f l e c t st h ec h a n g eo fv i b r a t i o ns i g n a l sa n dt h ep o w e rs p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c o ft h ev i b r a t i o ns i g n a l sc a l lb ee x t r a c t e db yr e c o v e r i n gt h ep h a s es h i f tt h r o u g h i i i s o f t w a r et e c h n i q u e s t h e r ea r es e r i e so fp e r i o d i ce x t r e m u mi nt h ea d d i t i v ep o w e r s p e c t r u mo fv i b r a t i o ns i g n a l s ，a n dt h ep o s i t i o no ft h ev i b r a t i o ns i g n a l sc a nb e d e t e r m i n e db yt h e s ee x t r e m a lp o i n t s ，w h i c he n l a r g e st h e a p p l i c a t i o nf i e l d o f t r a d i t i o n a lv i b r a t i o nm e a s u r e m e ms e n s o r s t h ed i s c u s s i o no ft h ei o c a t i o np r i n c i p l e f r o mt h ep o i n to ft h ea d d i t i v es p e c t r u mo fv i b r a t i o ns i g n a l sc a l l tb ef o u n di nt h e p r e v i o u sr e f e r e n c e s t h et h j r dc h a p t e rf o c u s e so nt h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u eo ft h es y s t e m t h e s i g n a lp r o c e s s i n go ft h es y s t e mc a r lb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ep h a s ed e m o d u l a t i o n a l g o r i t h ma n dt h el o c a t i o na l g o r i t h m t h ep h a s ed e m o d u l a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d i nt h i sp a p e rt od e m o d u l a t et h ev i b r a t i o ns i g n a l so f a n ys i z e t h es i g n a ld e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi sr e a l i z e db ys o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h eo u t p u ts i g n a l sa r et h es a n l e a st h ed i s t u r b a n c es i g n a l s ，w h i c hs o l v et h ed e f e c t st h a tt h ev i b r a t i o na m p l i t u d ei s l i m i t e da n dw h i c hi so n l ys u i t a b l et ot h eb r o a dv i b r a t i o np o w e rs p e c t r u mp r o p o s e di n p r e v i o u sr e s e a r c hm e t h o d ，t h u st h ep o s i t i o n so ft h ed i s t u r b a n c e sc a nb ed e t e r m i n e d p r e c i s e l y t h el o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od e t e r m i n et h ep o s i t i o n so fv i b r a t i o n s i g n a l so fa n ys i z ei m p o s i n go nt h es e n s i n gf i b e r t h el o c a t i o na l g o r i t h mi n c l u d e s s o m em o d e m s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ss u c ha sp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i sa n dw a v e l e t t r a n s f o r m i n g t h e s ea l g o r i t h m sa r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft w oo u t p u t s i g n a l so ft h es y s t e m , w h i c hi si n n o v a t i v e w i t hg r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e wa st h es o f t w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r m ，t h ep e r i o d sf o rh a r d w a r et e s t i n ga n d p r o g r a md e b u g g i n ga r el a r g e l ys h o r t e n e d t h ef o u r t hc h a p t e ri n c l u d e st h ee x p e r i m e n t sr e s e a r c ha n dr e s u l t sd i s c u s s i o n a f t e rt h er e a ls i g n a l sc o l l e c t e db yt h es y s t e mo i lt h ec o m m u n i c a t i o nc a b l eo ft h e l e n g t ho f2 8 k mi nt h ef i e l da r ep r o c e s s e d ，t h ee f f e c t i v e n e s sa n da p p l i c a b i l i t yo ft h e s y s t e mi sv e r i f i e d ，t h e r e f o r et h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h es y s t e mi sp r o v e d t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n dp o i n t so u tw h a tt h e a u t h o rh a sd o n et oc o m p l e t ei ta n dl o o k sf o r w a r dt ot h ef u t u r ew o r k k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r , d i s t r i b u t e d ，s e n s i n g ，v i b r a t i o n ，p h a s ed e m o d u l a t i o n ， l o c a t i o n c l a s s i f y i n gn u m b e r ：t p 2 1 2 ；t h 7 4 4 3 ：t n 9 11 7 4 - i v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 f lg q ：丝z ：笪：! 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：地聊签名：黧纽 第一章绪论 第一章绪论 维护基础设施的安全是社会稳定、经济快速发展的个基本要求。当前，我 国对于油气管道、电网、通信网等基础设施的监测主要是依据设施自身的一些生 产参数( 如压力突降、中间站油罐液位的不正常变化) 和人工巡视、路人的报告 等手段。这些手段技术含量低，普遍存在效率低、实时性差、反应时间长、抗干 扰能力差等缺陷，常常是监测设施遭受破坏后才能报警，实用性受自然和人为双 重因素的制约。这种“亡羊补牢式 的事后检测技术，只能减少而不能避免损 失。对长距离通信干线的监测，特别是受电磁干扰的影响，不可能实施依靠电的 方式进行传感监测。因此，光纤传感技术将成为进行电力、通信和油气管道等行 业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。但大多数光纤传感系统基于点传 感器，这样覆盖大区域或长距离就需要布设大量传感器，导致系统成本和复杂性 升高，使应用受限，甚至无法实施。 相比之下，分布式光纤传感技术由于传感器布设数量较少，系统相对简单， 因此具有更好的应用前景。但目前国际上已开发并商品化的分布式技术较少，且 其中多数采用的是温度传感器，而能够准确定位的更是少数。同时，受限于测量 低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求( 大多数基于时域反射计，即o t d r 技术) ，多数技术只能进行静态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺 乏实用性。而对于干线安全监测系统来说，必须获得实时的、半静态或动态的监 测信息及其发生位置，特别是o t d r 技术无法检测的瞬间事件。 基于以上考虑，我们提出一种新型的干涉型分布式光纤传感系统，通过一 系列信号处理过程，此系统可动态实时地对加诸于传感光纤上任意大小的振动信 号进行准确定位，具有广泛的应用前景。 在介绍该系统的结构及原理之前，我们先对相关研究背景作些介绍。 1 1 光纤传感器简介 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。 在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。 光纤传感器是2 0 世纪7 0 年代伴随着光导纤维和光纤通讯技术的发展而迅 速发展起来的【l 】【2 】。光纤以其传输损耗小、保密性高、传输带宽大的优点而被广 泛应用于通信系统中，除此之外，光纤也可用来作为传感器方面的设计。光纤作 为感受外界信号的承受体可以感应温度、位移、电场、应力等的变化，而这些变 化则表现为光纤内部结构的某些微观或者介观结构的变化，故在其中传输的光信 号也受到影响：只要通过某些转化将光信号还原为原先加载在光纤上的信号，即 第一章绪论 成为了光纤传感器。 传统的传感器以应变_ 电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导 线传输电信号，因而使用时受到环境的限制；光纤传感器则是以光信号为变换和 传输的载体，利用光纤传输光信号，其优点在于： 1 ) 光纤是由石英玻璃制成的，是一种介质、绝缘体，且耐高压、耐腐蚀，能 在易燃易爆的环境下可靠运用； 2 ) 光纤为无源器件，对被测对象不产生影响： 3 ) 光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列： 4 ) 光纤传感器的载体是光，其频率数量级为1 0 1 4 h z ，从而使传感器频带范围 很宽，动态范围很大，且不受电磁场干扰； 5 ) 具有极高的灵敏度和分辨率。 所有这些，都是普通传感器所无法比拟的。光纤能够在人达不到的地方( 如 高温区) ，或者对人有害的地区( 如核辐射区) ，起到人的耳目的作用，而且还能 超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。而且在当前数据业务 爆炸式增长，通信道路越来越拥挤的情况下，以光替代电作为传输手段也是趋势。 因此，光纤传感技术将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防 人为破坏的主要技术手段。 美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应 用方面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：用于水下 探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的 光纤传感器等，这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局( n a s a ) 的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民 用领域的国家，如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压温度等重要参数， 监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。日本和西 欧各国也高度重视光纤传感器的研究，并投入大量经费开展光纤传感器的研究与 开发。日本在2 0 世纪8 0 年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤 传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、 传输和生产过程的控制。2 0 世纪9 0 年代，由东芝、日本电气等1 5 家公司和研究机 构，研究开发出1 2 种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公 司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、 法国的汤姆逊公司和德国的西门予公司等【3 1 。 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差 不远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作，主要集中在各大高校和研究院 所，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。每 第一章绪论 年发表的论文、申请的专利也不少。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不 小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段， 不能投入批量生产和工程化应用【4 j 。 光纤传感器一般由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调 器组成，其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界 被测参数相互作用，使光的光学性质( 如强度、波长、频率、相位、偏振态等) 发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被 测参数。 光纤传感器按传感原理可分为两类。类是传光型( 或称非功能型) 传感器， 另一类是传感型( 或称功能型) 传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为光 的传输媒质，对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的，这种传感器中出射 光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性 质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传 输作用，将信号的“感 和“传”合而为一，因此这类传感器中光纤是连续的。 按信号在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为强度调制型、相位调 制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等，本文中提出的系统即属于相 位调制型光纤传感器范畴。相位调制型传感器的原理是将外界信号作用到干涉仪 上，干涉仪上测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉( 比较) ，使输出的光 的相位发生变化，通过对相位的解调就可检测出外界信号的变化。光纤中传输的 相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出任意大小相位变化所对 应的物理量。利用光纤的可绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光 纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。 从基本作用来分类，光纤传感器可以划分为光纤温度传感器、光纤位移传感 器、光纤应变传感器等等网，分别可以感知外界的温度、位移与应变的大小。如 果外界物理量的变化为振动信号，则传感器中光纤作为感应承受体发生内部应 变，从而使得光信号的强度或相位发生变化，因此起到了传感器的作用，在本文 中将这一类的光纤传感器统称为光纤振动传感器，测量外界应变、振动都可以归 为这一类。 另一种分类方法，如果整段的光纤作为感应外界信号的受体，则称为分布式 光纤传感，这是一种利用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，将被测量作为 光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理 参量进行连续的测量：若只有其中部分光纤( 通常进行了部分改造如引入光纤光 栅) 作为感应受体，则是点传感器，要感应整个光纤分布线上的情况则需采用布 点的方法。本文要讨论的是分布式光纤传感技术。 第一章绪论 1 2 分布式光纤传感技术概况 分布式光纤传感技术是在2 0 世纪7 0 年代末提出的【6 l ，它是随着现在光纤工 程中仍应用十分广泛的光时域反射( o t d r ) 技术的出现而发展起来的。在这几十 年里，国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力财力进行这方面的研 究，分布式光纤传感技术得到快速发展，基于各种原理的分布式光纤传感器被开 发出来，并且逐渐从实验研究走向实际应用。目前，这项技术已被应用于航空航 天、土木工程、化工、军事、交通等许多领域，已成为光纤传感技术中最具前途 的技术之一。 分布式光纤传感技术是指将传感光纤沿场分布，并采用独特的探测技术，去 感知光纤传输路径上待测场( 如温度、压力) 的空间分布和随时间变化的信息。 分布式光纤传感系统的特点是，利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，光纤 总线不仅起传光作用，还起传感作用。 分布式光纤传感系统有下列优点 7 1 ： ( 1 ) 信息量大。分布式光纤传感系统能在整个连续光纤的长度上，以距离 的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，即光纤任一点都是 “传感器”，它的信息量可以说是海量信息。 ( 2 ) 结构简单，可靠性高。由于分布式光纤传感系统的光纤总线不仅起传 光作用，而且起传感作用，因此结构异常简单，方便施工，潜在故障少，可维护 性好，可靠性高。 ( 3 ) 使用方便。光纤埋设后，测点可以按需要设定，可以取2 m 距离为一 个测点，也可以取l m 距离为一个测点等，按需要可以改变设定。因此，在病害 定位监测时极其方便。 ( 4 ) 性能价格比好。目前，光纤价格不高，一条光纤的测点又可达成百上 千个，因此，每个测点的价格就远远低于传统单测点的价格，性能价格比相当 好。 分布式光纤传感系统相对于电信号为基础的传感系统和点式光纤传感系统 而言，无论是从传感技术的难度、传感量的内容及指标，还是从传感的场合和范 围都提高到了一个新的阶段。 分布式光纤温度及应力传感是分布式光纤传感器中研究最活跃的领域，分布 式光纤温度传感器在国外已实现商品化，并用于大型电力变压器、高压电力网、 高层建筑等大的或长的设备温度分布测量和监控【8 】。分布式光纤传感器在多层建 筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器等重大结构与设备方面有重要的应用前景。 目前已有利用分布式光纤传感器对静止电缆桥、飞机多层结构冲击探测等方面进 - 4 第一章绪论 行实验的报道。 根据监测空间范围不同，采用分布式光纤传感技术进行测量的分布式光纤传 感器可以分为准分布式光纤传感器和全分布式光纤传感器。 准分布式光纤传感器是由多个布置在空间预知位置上的分立的光纤传感器 采用串联或其他网络结构形式连接起来，利用时分复用、频分复用、波分复用等 技术共用一个或多个信息传输通道所构成的分布式的网络系统。它可以较精确地 同时或分时得到某一或某些空间点上不同的被测量的分布信息，但它只能得到预 知离散空间位置上的传感信息，仍存在传感“盲区，且在一般情况下其结构较 复杂、成本较高。准分布式光纤传感器基本组成如下图所示： 图1 1 准分布式光纤传感器 全分布式光纤传感器利用一根光纤作为延伸的敏感元件。光纤上的任意一段 既是敏感单元又是其他敏感单元的信息传输通道，因而可获得被测量的沿此光纤 空间和时间变化的分布信息。它消除了传统传感器存在的传感“盲区，从根本 上突破了传统的单点测量限制，是真正意义上的分布式光纤传感器，大大降低了 造价，可以获得较高的性能价格比，因此在监测中被越来越广泛使用。全分布光 纤传感器基本组成如下图所示： 图1 - 2 全分布式光纤传感器 目前分布式光纤传感技术使用的方法主要有反射法、波长扫描法和干涉法 第一章绪论 【9 】。反射法是利用光在光纤传输过程中产生的后向散射效应进行测量的方法；波 长扫描法是利用保偏光纤在外部扰动作用时发生模式耦合效应进行测量的方法； 干涉法是利用干涉装置对干涉光路中光波的相位进行解调从而得到被测量信息 的方法。在这三种方法中，反射法是研究最多、应用最广的一种。根据其建立在 时间域还是频率域上，反射法又可分为光时域反射法o t d r ( o p t i c a lt i m ed o m a i n r e f l e c t o r m e t r y ) 和光频域反射法o f d r ( o p t i c a lf r e q u e n c yd o m a i n r e f l e c t o r m e t r y ) 。光频域反射法相对于光时域反射法研究较晚，应用范围也不及 光时域反射法广。波长扫描法以自然光照射保偏光纤，利用f f t 算法来确定模式 耦合系数的分布，该方法分辨力高，可达o 3c m ，但测量范围小，系统成本高， 不利于实用化。干涉法也是目前研究比较广泛的一种技术之一。 o t d r 技术f l 了b a r n o s k i t l 0 1 在1 9 7 6 年提出，是实现分布式光纤传感的关键技术。 o t d r 最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光 纤损耗特性、光纤故障的手段，其工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲， 该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性，以及光纤微观特性的 变化，有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，在光纤中形成后向散射光和前 向散射光。其中，后向散射光向后传播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检 测系统。由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延 时即反应在光纤总线上的位置。由于从光纤返回的后向散射光有3 种成分： ( 1 ) 由光纤折射率的微小变化引起的瑞利( r a y l e i g h ) 散射，其频率与入射光相同； ( 2 ) 由光子与光声子相互作用而引起的拉曼( r a m a n ) 散射，其频率与入射光 相差几十t h z ： ( 3 )由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的 布里渊( b r i l l o u i n ) 散射。其频率与入射光相差几十g h z 。 蠼 装 频率 图1 3 光纤中的散射光谱 第一章绪论 其中，瑞利散射是由光纤材料不均匀导致光纤的折射率不均匀引起的，它是 光与物质之间发生的弹性散射，在散射过程中不发生频移：拉曼散射是光与物质 分子振动间相互作用产生的光学声子；布里渊散射是光纤材料密度周期性变化产 生的声学声子。拉曼散射和布里渊散射都是非弹性散射，在散射过程中产生频移。 研究发现，瑞利散射不产生频移，但瑞利散射的光强最大。布里渊散射和拉曼散 射都产生频移，布里渊散射的频移较拉曼散射的频移小，但布里渊散射的光强大 于拉曼散射的光强。在光谱中光频率低于入射光频率的部分称为反斯托克斯光， 大于入射光频率的部分称为斯托克斯光。在光的后向散射中，瑞利散射的强度相 对较大，当外界物理场在某处扰动光纤时，此处的后向瑞利散射光强会明显下降， 因此，可通过测量后向瑞利散射光强的变化来检测光纤是否受到扰动。布里渊和 拉曼后向散射光强较弱，不宣测量光强变化，但其频移与温度和应变有关，因此， 可以通过测量频移变化来检测外界物理场的温度或应变【l 。 因此，时域反射式分布光纤传感系统按光的载体可分为三种形式：基于拉曼 散射的分布式光纤传感系统、基于瑞利散射的分布式光纤传感系统和基于布里渊 散射的分布式光纤传感系统。当前，前二种形式的研究和应用较多，后一种形式 是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术，国内研究才刚刚起步。由于后一种 形式可用来测量光纤沿线的应变分布，可以预计，不久在这方面将有所突破，并 且前二种形式将发展成更多的应用种类，逐渐向传感的各个领域渗透。光纤网络 布置形式将更趋丰富多样，更趋科学合理。 然而，o t d r 系统的监测方式，是利用散射回来的光信号进行观测，但因为 散射回来的光信号微弱，故需使用功率高的光源，造成系统的价格昂贵。此外， 受限于测量低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求，o t d r 技术只能进行静态 或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺乏实用性。而对于干线安全监测 系统来说，必须获得实时的、半静态或动态的监测信息及其发生位置，特别是 o t d r 技术无法检测的瞬间事件。 为了改善光时域反射仪的缺点，有其他干涉式的分布式传感技术被提出。干 涉式分布光纤传感器是利用光纤受到所监测物理场感应，如温度、旋转、压力或 振动等，使导光相位产生延迟，经由相位的改变，造成输出光的强度改变，进而 得知待测物理场的变化u 2 1 。干涉式分布光纤传感器相对于o t d r 技术的优点是干 涉式传感器的动态范围大、灵敏度高，因此，可以实现任意信号的检测。干涉法 中主要应用的是迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪、马赫曾德尔( m a c h z e n h d e r ) 干涉仪、s a g n a c 干涉仪以及各干涉仪之间混合组成的干涉仪结构，包括s a g n a c 和 m a c h - z e n h d e r 13 1 、s a g n a c 和m i c h e l s o n 1 4 i 、s a g n a c 和s a g n a c b 5 l 、环状和另不 同环状【1 6 1 【l 刀等混合组成的干涉仪结构。各种干涉仪中，由于基于s a g n a c 效应的 7 第章绪论 光纤陀螺技术较为成熟，因此，基于s a g n a c 效应的分布式光纤传感技术也最具发 展潜力。 以下分别来介绍这些干涉仪。 ( 1 ) 光纤m i c h e l s o n 干涉仪【1 8 】 光纤m i c h e l s o n 干涉仪的结构与原理如图1 - 4 所示，光源发出的光经过透镜 会聚，入射到光纤耦合器d c ，将光分成两路，一路作为参考光，入射到反射镜 m 1 ，另一路作为测量光，两路光被反射回到耦合器会聚并干涉，干涉光由探测 器接收。当测量光一臂的反射镜m 2 发生移动，干涉条纹( 干涉信号的相位) 就要发生变化，输出光强的表达式为： 1 2 = 矸+ 霹+ 2 厶c o s ( ) ( 1 1 ) 因此，可以通过判断相位的变化来对外界物理量进行测量。 图1 - 4 光纤m i c h e l s o n 干涉仪 ( 2 ) 光纤m a c h - z e n h d e r 干涉仪 光纤m a c h z e n h d e r 干涉仪结构与原理如图1 5 所示。光源发出的光经过耦 合器d c l ，将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。经过耦合 器d c 2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为 = a + b c o s ( t ) ( 1 - 2 ) 厶= a - b c o s f 6 ( t ) ( 卜3 ) 因此，可以通过对干涉信号相位的提取来获知作用在信号臂上外界物理量的 变化。 图l - 5 光纤m a c h - z e r d a d e r 干涉仪 p d l p d 2 第一章绪论 ( 3 ) 光纤s a g n a c 干涉仪 光纤s a g n a c 干涉仪结构与原理如图1 - 6 所示。它是利用s a g n a c 效应构成 的一种干涉仪，是光纤陀螺的基本结构【1 9 1 。s a g n a c 效应是一种相对论效应。从 一相干波源发出的二束波如构成回路、则此回路中二个波分别具有相反的旋转分 量。如果上述回路处于旋转参照系中，经典理论认为：二波相遇时如果光程差相 同，二个波之间没有相位差。但相对论则得出，此时二个波之间的相位差和参照 系的旋转角速度成正比、和回路所围的面积成正比。这一理论是在狭义相对论发 表之后由s a g n a c 在1 9 1 3 年首先提出的，后来它被称为s a g n a c 效应。s a g n a c 效 应不久就在光学干涉仪上得到验证【2 0 1 。 简单地说，s a g n a c 干涉仪中输入的光经过耦合器分成两束，分别沿顺时针和 逆时针方向在光纤环中传播，最后在耦合器处会合，发生干涉。围绕着垂直于环 面的轴转动将引起两束光之间的相位差( 光程差) 变化，因此改变输出干涉图样。 相位差( 称s a g n a c 相移咖) 和角速度之间的关系为 也：2 ；, r l d 国 ( 卜4 ) 口s = 1 国 k l qj 肌 式中，为光纤的长度，刀为光纤环的直径，a 为波长，c 为真空中光速， 甜为角速度。通过对相移测量来得到转动的角速度。 s 图1 - 6 光纤s a g n a c ：t - 涉仪原理图 对于如何用光纤s a g n a c 干涉仪确定扰动信号的位置，现已有很多种结构。 1 9 8 7 年，j e d a k i n 等用s a g n a c 干涉仪来确定一个单频的信号源l l 引。1 9 9 1 年， k u r m c rc ta 1 在文献【2 1 】及文献【2 2 l 中指出此干涉仪可以作为位置传感器确定一连 续的白噪声源的位置。r u s s e l le ta 1 在文献【2 3 】和文献【2 4 】中指出用双干涉系统和波 长复用技术可以实时地确定多个单频干扰的位置。文献【2 5 】中又提出了一种新的 s a g n a c 干涉结构，如下图1 7 所示，可用于确定光纤上声音脉冲的位置。 第一章绪论 图1 7 基于s a g n a c 干涉的定位传感系统 如上图，光源发出的光经2x2 耦合器分光后，分别沿s a g n a c 干涉仪光纤环 的顺时针和逆时针方向传播，并先后经过相关